Gorilne celice Diplomska seminarska naloga Študent: Branko Beznec Mentor: izr. prof. dr. Boris Aberšek

Uvod V nalogi prikazujem: tehnologijo gorilnih celic, prednosti uporabe gorilnih celic pred pogoni na fosilna goriva tipe gorilnih celic in njihovo zgradbo, princip delovanja celice s trdnimi polimeri-PEMFC, izkoristke gorilnih celic, prihodnost tehnologije gorilnih celic.

Zgodovina Gorilno celico je odkril sir William R. Grove leta 1839 z opazovanjem obratnega postopka elektrolize. Tehnično sprejemljive rešitve je predlagal šele angleški raziskovalec Francis T. Bacon leta 1932. Sestavil je gorilni člen na čisti vodik in čisti kisik.

Zgodovina Slika 1: Originalna izvedba gorilnega člena na čisti vodik in kisik (F. Bacon)

Kaj je gorilna celica? Gorilna celica pretvarja kemijsko energijo goriva (vodik, zemeljski plin, metanol, bencin) neposredno v električno energijo brez vmesne pretvorbe v toplotno energijo, te v mehansko delo in naprej v električno energijo. Delovanje gorilne celice je podobno galvanskemu členu oz. zagonski bateriji, ki jo uporabljamo v avtomobilih, s to razliko, da gorilno celico moramo oskrbovati z gorivom, pri suhem členu pa reaktante vključimo že pri izdelavi. Gorivo je običajno vodik ali plin, ki vsebuje vodik in zrak.

Kaj je gorilna celica? Za proizvodnjo električne energije z gorilnimi celicami je značilna: zelo nizka emisija škodljivih plinov, velik izkoristek, tiho delovanje in možnost enostavnega povezovanja posameznih celic v module z različno močjo. Slika 2: PEMFC gorilne celice

Osnove delovanja gorilnih celic Gorilna celica je enako kot baterija, sestavljena iz dveh elektrod, anode in katode, stisnjenih okoli istega elektrolita. Reducent, vodikovo gorivo polnimo v anodo gorilne celice, oksidant, kisik, oziroma zrak, pa vstopa v gorilno celico skozi katodo. Zaradi katalizatorja na anodi se vodikov atom razcepi v proton in elektron, ki po različnih poteh prideta do katode.

Osnove delovanja gorilnih celic KISIK + VODA PEMFC gorilna celica je sestavljena iz dveh elektrod, anode in katode. Ločuje ju polimerni elektrolit oziroma polimerna membrana. Slika 3: Shema gorilne celice

Delitev gorilnih celic V primarnih gorilnih celicah gorivo in oksidant dovajamo na elektrodi iz zunanjih rezervoarjev. Produkt reakcije je izmet. Delovanje takšnih gorilnih celic je podobno delovanju baterij. Slika 4: Primarni gorilni elementi

Delitev gorilnih celic V sekundarnih ali obnovljivih gorilnih celicah se produkt reakcije obnovi v izhodiščne elemente ob dovajanju termične ali električne energije. Za regeneracijo se lahko uporabi tudi sončna energija ali energija iz jedrskih reaktorjev. Elementi se lahko obnovijo v gorilnem elementu ali izven njega in to sprotno ali v posameznih ciklusih. Sekundarni gorilni elementi so po principu delovanja podobni akumulatorju. Slika 5: Sekundarni gorilni elementi

Delitev gorilnih celic Fosforno kislinska gorivna celica (PAFC-phosphoric acid fuel cell) Gorivne celice s trdnimi polimeri (PEMFC-proton exchange membrane fuel cell, SPFC-solyd polimer fuel cell) Gorivne celice s staljenim karbonatom (MCFC-molten carbonate fuel cell) Gorivne celice s trdnim oksidom (SOFC solid oxide fuel cell) Alkalne gorilne celice Druge gorilne celice DMFC Direct Methanol Fuel Cells Regenerative Fuel Cells

Prednosti gorilnih celic   Možnost mehanskih okvar je minimalna, saj nimajo gibljivih delov. Izkoristek je približno dvakrat večji, kot pri motorjih z notranjim izgorevanjem. Ne onesnažujejo okolja, saj je glavni produkt vodna para, kar je zelo pomembno za mestna jedra. Države, ki bi uspele pridobivati energijo na ta način bi postale energijsko neodvisne od fosilnih goriv. Prehod na tehnologijo gorilnih celic bi pomenil nova delovna mesta. Zmanjšanje uničevanja okolja in možnosti ekoloških nesreč. Vodika je dovolj skoraj v vseh državah sveta.

Slabosti gorilnih celic   Vodik kot gorivo ni prosto dostopen, zato gaje potrebno proizvajati. Vodik je zelo eksploziven in s tem zelo problematičen za skladiščenje in transport. Gornja hiba se da odpraviti z uvajanjem »reformerjev«, ki proizvajajo vodik iz ogljikovodikov ali alkoholnih goriv, žal pa se tako zmanjša izkoristek celic, izpuh pa ni več samo vodna para ampak vrsta drugih plinov.

Praktična uporaba gorilnih celic Prenosen vir energije Javni promet Vir energije na domu Proizvodnja energije Slika 6: Avtobus na GC kanadske firme Ballard. Slika 7: Prenosni računalnik na GC

Osnove delovanja gorilnih celic Kisik in vodik, oba v plinastem stanju, v dotiku reagirata in nastane voda, ob tem pa se sprošča energija.   H2 + ½ O2 katalizator H2O + toplotna energija Ko vodik zgoreva v kisiku, se sprošča ogromna količina toplote. Ta reakcija je torej močno eksotermna. V gorilni celici pa vodik in kisik, namesto da bi zgorevala, tvorita električni člen.

Osnove delovanja gorilnih celic Na anodi oksidira vodik, pri tem se sproščajo elektroni H2 2H+ + 2e- . (anoda) Elektroni tečejo skozi zunanje vodnike prek porabnikov na katodo, kjer se reducira kisik.   ½ O2 + 2H+ + 2e- H2O (katoda) Slika 8: Shema delovanja

Osnove delovanja Skupna reakcija je prikazana z enačbo:   H2 + ½ O2 H2O. Produkti reakcije so torej voda, električna energija in toplota, kar je razvidno iz kemijske reakcije. H2 + ½ O2 katalizator H2O + toplotna energija + električna energija Slika 9: Shema delovanja

Zgradba gorilnih celic Glavni sestavni deli so: elektrode, katalizatorji, elektroliti, goriva in oksidanti. Slika 10: Model motorja na GC

Elektrode Ker prevajajo elektrone, so iz kovin ali iz materialov s polprevodniškimi lastnostmi. Površina elektrode mora delovati kot katalizator elektrokemijske reakcije. Imeti mora dobre mehanske lastnosti, veliko specifično površino z določeno velikostjo por (poroznost), da lahko gorivo ali zrak prideta v stik z elektrolitom. Elektrode ne smejo korodirati v elektrolitu gorilnega elementa. Snovi iz katerih so elektrode so: platina, paladij, radij, rutenij, nikelj (A), srebro (K), lahko pa tudi grafit.

Katalizatorji Tok elektrokemijske reakcije in gostota toka sta odvisna od katalizatorskih pojavov na površini elektrode. Elektroda je lahko hkrati katalizator (elektrokatalizator), če jo obdelamo s posebnim postopkom, ali če se katalizator adsorbira na njeno površino. Izbor katalizatorja je odvisen od najpočasnejše elementarne stopnje celotne reakcije, ki jo je treba pospešiti.

Elektroliti Uporabljamo trdne in tekoče elektrolite. Elektrolit je lahko vsaka polarna snov, ki topi ionske kristale, raztaljene soli, soli alkalnih kovin – kloride in karbonate. Od trdnih elektrolitov so najpomembnejši membransko grajeni polimeri (polistiren). Takšne membrane ločujejo katodni del od anodnega ter zmanjšujejo dimenzije gorilnih elementov(vesoljska vozila). V novejšem času raziskujejo elektrolitsko prevodne membrane, izdelane iz nikelj - borida ali bor - nitrida.

Goriva in oksidanti Gorivo v gorilnih celicah je lahko vsak element ali spojina, ki lahko notranjo energijo sprosti z oksidacijo in preide v ione. Najpogostejša goriva so vodik in ogljikovodiki. Oksidanti so lahko kemijske snovi, ki imajo močno afiniteto do elektronov in ki z redukcijo preidejo v ionsko stanje. Najpogostejši oksidant je kisik. V nekaterih reakcijah se kot oksidanti uporabljajo tudi halogeni elementi (Cl, Br, F).

Izkoristek Termodinamični izkoristek kjer je prosta reakcijska entalpija, reakcijska entalpija, T temperatura in sprememba entropije.

Izkoristek Napetostni izkoristek Zaradi notranjih uporov elektrolita in reakcijskega sloja elektrode, se pojavi notranji padec napetosti, tako da je napetost na kontaktih V manjša od potenciala celice E. Na osnovi tega se definira napetostni izkoristek gorilnega elementa.

Izkoristek Faradayski izkoristek Ta izkoristek je merilo za popolnost izkoriščanja goriva v elektrokemijski reakciji, ki proizvaja elektriko. Definira se z enačbo   kjer Q pomeni velikost električnega naboja, dobljenega iz gorilnega elementa, Qm pa velikost električnega naboja, ki bi ga lahko dobili iz goriva pri idealni kemijski reakciji.

Izkoristek Celoten izkoristek Celoten izkoristek gorilnega elementa je produkt vseh treh.    Celoten izkoristek je nižji od termodinamičnega predvsem zaradi notranjega padca napetosti in zaradi nezaželenih sprememb, ki nastanejo v elementu med obratovanjem. Do sedaj doseženi izkoristek za gorilne elemente tipa vodik - kisik je približno 60%.

Prihodnost gorilnih celic Gorilne celice proizvajajo po naročilu. Edini serijski standardizirani tipi gorilnih celic so nizkotemperaturne gorilne celice ameriške firme General-Electric. Vsi ostali modeli so v glavnem raziskovalni elementi. Problem transporta in skladiščenja vodika. Upravičenost uporabe gorilnih celic v prihodnosti temelji na dveh faktorjih:  visoki stopnji izkoriščenosti, ki je mnogo višja kot v vseh do sedaj poznanih termičnih procesih, malem negativnem vplivu na okolje, saj proizvodi izgorevanja ne vsebujejo škodljivih sestavin, poleg tega delujejo brezšumno. Gorilna celice bi lahko zelo zmanjšale stopnjo onesnaženja v mestih, manjši bi bila tudi odvisnost od nafte.

Zaključek Tehnologija gorilnih celic ima vedno večji pomen kot alternativa uporabi fosilnih goriv za pridobivanje električne in toplotne energije. Predvsem se predvideva uporaba gorilnih celic v avtomobilski industriji za pogon avtomobilov in tudi drugih prevoznih sredstev. Kot pri vsaki novosti pa so poleg vseh naštetih dobrih lastnosti vedno prisotne tudi pomanjkljivosti. V tem primeru so to težave s pridobivanjem, skladiščenjem in distribucijo vodika.

Literatura in viri Aberšek, B. 1999. Energije in energetika. Maribor: Pedagoška fakulteta. Atkins, P. W ... [et al.]. 1995. Kemija, zakonitosti in uporaba. Ljubljana: Tehniška za ložba Slovenije. Hill, Graham. 2000. Kemija 2000. Ljubljana: DZS. Kuščer, Ivan. 1987. Toplota. Ljubljana: Društvo matematikov, fizikov in astronomov. Schröter, W. … [et al.]. 1993. Kemija. Ljubljana: Tehniška založba Slovenije. Žižmond, E. 1998. Kako nastane pisno delo. Maribor: Ekonomsko - poslovna fakulteta. http://www.aist.go.jp/nss/text/fuelcell.htm [julij, 2002] http://www.science.org.au/nova023/023box01.htm [julij, 2002] http://www.ee.uni-lj.si/VOOVE/stran_101.htm [julij, 2002] http://www.e-m.si/arhiv/01/2/povz201.html [julij, 2002] http://www.fuel-cell.de/entwicklungsthemen/gas_processing/reformierung_erdgas-e.html [julij, 2002] http://www.lll.gov/str/Mitlit.html [julij, 2002] http://ctklj.ctk.uni-lj.si/kovine/izvodi/mit0134/lavrencic.html [julij, 2002] http://www.imt.si/portoroz/povzetki/slo/am/marinsek-primerjava.html [julij, 2002] http://www.mladina.si/tednik/200113/clanek/nt/[julij, 2002]